Особенности трансформации электрической энергии в тепловую в плазменной (сжатой) дуге

Термин «плазма» упоминался ранее при описании дугового разряда. Это так называемое четвертое состояние вещества представляет собой в большей или меньшей мере ионизированный газ, состоящий, следовательно, из положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов и электронов), но в таких пропорциях, что их общий заряд равен нулю. Наличие электронов обусловливает высокую электропроводность плазмы, сравнимую по порядку величины с электропроводностью металлов.

Степень ионизации — одна из важных характеристик плазмы — определяется как отношение доли ионизированных частиц к их начальному числу. По этому признаку различают низко- и высокотемпературную плазму со степенью ионизации соответственно от сотых долей (или примерно 1 %) до единицы (или 100 %). Этот показатель увеличивается с повышением температуры и обратно пропорционален давлению.

Исследованиями высокотемпературной (10в6—10в10 К) плазмы занимаются астрофизики и геофизики. С проблемой ее длительного удержания в земных условиях связаны перспективы обуздания энергии управляемых термоядерных реакций.

Низкотемпературная (10в3—10в5 К) плазма нашла практическое применение в различных технических областях, в том числе и в металлургических и технологических процессах. Получить низкотемпературную плазму можно термической ионизацией газа или ионизацией электрическим разрядом. В первом случае появление заряженных частиц обусловлено нагревом газа до необходимой температуры, зависящей от потенциала его ионизации. Добавки легко-ионизируемых веществ, в частности щелочных металлов, служат эффективным средством повышения степени ионизации плазмы. Так, пламя обычных топливно-кислородных горелок становится электропроводным при температуре около 2000 К, что позволяет пропускать через него постоянный или переменный ток от источника электроэнергии. Последняя затрачивается на повышение степени ионизации газа, следовательно, на увеличение температуры и теплосодержания факела. В результате подогрева пламени электрическим током интенсифицируется тепловложение в нагреваемое изделие. Такой принцип реализован в конструкциях топливно-плазменных горелок. Способ получения низкотемпературной плазмы с помощью электрического разряда более распространен. При этом может использоваться энергия высокочастотного (электромагнитное поле) и дугового разрядов.

Подробно принцип работы и конструкция высоко- и сверхвысокочастотных генераторов плазмы изложены в монографии. Основным достоинством такого способа генерации плазмы считается ее высокая чистота, которая в связи с отсутствием электродов зависит только от наличия примесей в плазмообразующем газе. Такие плазмотроны с чистой струей плазмы используют для обеспечения стерильных условий протекания различных процессов выращивания монокристаллов, получения и спекания чистых порошков металлов и оксидов, проведения спектрального анализа и др. Крупномасштабного применения в металлургии высокочастотные безэлектродные плазмотроны не получили из-за ограниченной мощности генераторов и стойкости конструктивных элементов плазмотронов, сравнительно высокой стоимости ВЧ энергии.

Способ генерации плазмы с помощью дугового электрического разряда используется шире. Впрочем, сам столб электрической дуги представляет собой плазму с температурой 5000—6000 К. Принципиально температура дуги повышается с увеличением подводимой электрической мощности и уменьшением радиационных потерь. Однако возможности такого метода повышения температуры свободно горящей дуги ограничены тем, что при этом одновременно увеличивается сечение столба, сопротивление его уменьшается, а плотность тока и температура заметно не изменяются. Поэтому вольтамперная характеристика таких дуг является падающей.

Попытки повышения энергетических параметров электрической дуги предпринимались уже в начале нашего столетия. Основной принцип заключается во внешнем воздействии на дугу с целью уменьшения поперечного сечения ее столба (сжатие дуги) Добиться этого можно разными способами: наложением электромагнитного поля, пропуская дугу через узкое отверстие (сопло), охлаждая ее жидкостью или газом. В соответствии с принципом Штейнбека о сохранении минимума напряженности электрического поля в столбе, при сжатии дуги в нем увеличивается количество заряженных частиц, следовательно, повышается температура плазмы (рис. 115).

Сжатие (контрагирование) дуги газовым потоком и соплом приводит к увеличению плотности тока и падения напряжения в разрядном промежутке и, как следствие, к повышению концентрации теплоты. Эффективная тепловая мощность, представляющая собой количество теплоты, вводимой источником в нагреваемое тело, при одинаковой силе тока у контрагированной дуги примерно на 40 % больше, чем у открытой, свободно горящей дуги. Однако эффективный КПД сжатой дуги, т. е. отношение эффективной к полной мощности, меньше, чем у открытой дуги, вследствие большей теплоотдачи в сопло и окружающее пространство.

Повышение мощности и температуры сжатой дуги обусловлено интенсификацией процессов, происходящих в плазме ее столба. Дополнительная в сравнении со свободно горящей дугой электроэнергия расходуется на возбуждение, диссоциацию и ионизацию атомов и молекул плазмообразующего газа, т. е. на повышение его теплосодержания. В ходе обратных процессов рекомбинации, молизации и перехода атомов в невозбужденное состояние энтальпия плазмы путем радиационно-конвективного теплообмена сообщается нагреваемому телу и теряется в сопло и окружающее пространство.

Теплосодержание плазмы зависит от температуры и рода газа. При нагреве одноатомных газов энтальпия плазмы определяется затратами энергии на возбуждение и ионизацию атомов, в то время как для двухатомных газов дополнительный вклад в теплосодержание плазмы вносит процесс диссоциации молекул. Поэтому плазма двух- и многоатомных газов содержит большее количество теплоты при более низких температурах (рис. 116), для чего, естественно, необходима дополнительная электрическая энергия, подводимая к плазмотрону.

Понятно, что с целью интенсификации теплообмена в области сравнительно низких температур выгоднее использовать многоатомные плазмообразующие газы. Однако при выборе плазмообразующего газа руководствуются различными соображениями. Так, высокоэнтальпийная плазма (водород, азот) обеспечивает повышенную теплопередачу, но использование этих газов способствует также перегреву и разрушению электрода и сопла плазмотрона. При выборе газа учитываются и особенности его взаимодействия с расплавом металла. В ряде случаев применение водорода и азота оказывается полезным и в металлургическом аспекте. Поскольку большей частью переплав металлов и сплавов требует исключить вредное влияние атмосферы, наиболее целесообразно использование инертных газов (аргон, гелий).

Кратко описанные принципы повышения энергетических показателей электрической дуги явились основой для совершенствования технологических процессов и разработки необходимого оборудования для сварки и резки металлов, а в дальнейшем, как было указано, при создании мощных металлургических плазмотронов. Несмотря на разнообразие конструктивных вариантов, существует два принципиальных типа дуговых плазмотронов: с независимой (косвенной) и зависимой (совмещенной) дугой (рис. 117, а, б). У первых электрическая дуга горит между катодом и соплом, а подаваемый плазмообразующий газ, нагреваясь и ионизируясь в столбе дуги, выходит наружу в виде так называемой плазменной струи. Понятно, что нагрев изделия здесь происходит исключительно за счет теплосодержания последней.

В плазмотронах второго типа дуга возбуждается между катодом и нагреваемым изделием и сжимается продольным потоком газа и соплом. В этом случае основная доля энергии сообщается материалу непосредственно дуговым разрядом за счет приэлектродных процессов и дополняется тепловложением плазмы.

Достоинство плазмотронов с косвенной дугой заключается в их автономности, в том числе и в независимости от свойств нагреваемого материала. В то же время нагрев плазменной струей отличается сравнительно низкой эффективностью и требует повышенного расхода газа, поскольку теплосодержание струи быстро уменьшается на выходе из сопла. Мощность таких плазмотронов ограничена в основном стойкостью сопла, подключенного в цепь источника питания.

Плазмотроны с независимой дугой нашли применение для процессов сварки, напыления, известны конструкции нагревателей больших объемов газа (воздуха), основанные на указанном принципе. В СЭМ используются более эффективные плазмотроны с совмещенной дугой, которые требуют сравнительно небольшого расхода плазмообразующих газов, отличаются простотой регулирования мощности, в том числе за счет изменения длины столба плазменной дуги.

Принципиально повышение мощности плазмотронов этого типа, требующихся для создания крупных металлургических агрегатов, также ограничено стойкостью электродного узла (катода) и наконечника (сопла). Сопло таких плазмотронов в отличие от генераторов с косвенной дугой подвергается значительным тепловым нагрузкам только за счет теплопередачи от столба дуги. Однако иногда, в случае повышения напряженности электрического поля в канале сопла сверх определенного предела, дуга привязывается к его охлаждаемой стенке и далее горит между соплом и нагреваемым металлом. Такое явление, называемое двойным дугообразованием, сопровождается интенсивным выделением теплоты в месте привязки дуги и приводит к быстрому выходу сопла из строя. Для предотвращения этих негативных последствий требуется соблюдение необходимых геометрических соотношений при конструировании плазмотронов заданной мощности (диаметры соплового канала и катода, заглубление последнего и др.), а также электрических и технологических параметров при их эксплуатации.

Катод, работающий в очень тяжелых тепловых условиях, должен иметь хорошие эмиссионные свойства и высокую термостойкость. Обычно для его изготовления используют вольфрам с небольшими добавками окислов тория, лантана или иттрия. Такие добавки не только снижают работу выхода электронов и, следовательно, обеспечивают более высокую допустимую плотность тока дуги, но и повышают температуру рекристаллизации вольфрама, т. е. предотвращают охрупчивание и повышают стойкость катода.

Тем не менее высокая плотность тока и, следовательно, температура катода — основные причины относительно быстрого его разрушения. Смягчить условия эксплуатации катодного узла можно увеличением площади его поперечного сечения, т. с. уменьшением плотности тока. Однако такой способ имеет свои пределы, ограниченные конструктивными соображениями, а также привязкой дуги на отдельном участке поверхности катода.

Наибольшая стойкость катода и стабильность параметров плазменной дуги отмечаются при питании плазмотронов постоянным током прямой полярности (электрод — катод). В этом случае за счет увеличения сечения электрода удается создать падежные в эксплуатации генераторы низкотемпературной плазмы с током дуги 3—6 кА. Однако создание крупных печей для выплавки слитков на базе плазмотронов постоянного тока нецелесообразно по ряду причин. Расположение конструктивных элементов печи (ферромагнитных масс) вблизи ее короткой сети, а также взаимодействие магнитных полей нескольких одновременно горящих плазменных дуг постоянного тока резко ухудшают стабильность их параметров, приводят к изменению заданного положения дуг в плавильном пространстве, интенсивному вращению металлической ванны по аналогии с процессом ВДП. Нельзя признать оптимальпым использование постоянного тока и по причине большей сложности, стоимости и меньшей надежности выпрямителей в сравнении с источниками питания переменного тока.

Поэтому при создании мощных плазменных генераторов в ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины ориентировались и на использование переменного тока промышленной частоты. При этом основные затруднения вызывает изменение условий горения дуги при регулярной смене ее полярности, а также увеличение тепловой нагрузки электродного узла в те полупериоды, когда на него подается анодный потенциал. Тем не менее за счет применения источников питания со значительным запасом напряжения холостого хода но отношению к рабочему напряжению дуги удается обеспечить устойчивость плазменной дуги переменного тока и удовлетворительную работу плазмотронов при токе дуги до 1,5—2,0 кА.

Дальнейшее повышение мощности плазмотрона и увеличение ресурса его работы стало возможным с применением так называемого плазменного электрода (рис. 117, в). Сущность способа заключается в принудительной генерации заряженных частиц в области основного катода с помощью дополнительного независимого источника плазмы или плазмотрона с независимой дугой. Это обеспечивает наличие в приэлектродной зоне повышенного количества электронов, что стабилизирует ток основной дуги при сравнительно низкой температуре электрода. Кроме того, подача плазмы в приэлектродную область способствует равномерному рассредоточению активных пятен по поверхности электрода, снижению приэлектродного падения напряжения и, следовательно, уменьшению выделяющейся на электроде энергии.

Эрозия электрода в плазмотронах такой конструкции резко снижается, что позволяет увеличить ток плазменной дуги до 3—6 кА и создать на их основе трехфазные плазменные комплексы мощностью несколько мегаватт.